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廣西大學(xué)王雙飛院士團(tuán)隊 CEJ：仿生木結(jié)構(gòu)使氣凝膠摩擦電材料具有濕度適應(yīng)特性
2024-08-30  來源：高分子科技

  摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）能夠從自然界中收集離散機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化為電能，可作為分布式電源和自供電傳感器，在物聯(lián)網(wǎng)的新時代展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。但在高濕度環(huán)境中，TENG的性能通常受到影響；粘附在摩擦層表面的水分子會帶走表面電荷，從而導(dǎo)致電荷耗散和功率輸出降低，這極大地限制了TENG的發(fā)展。雖然包封和疏水處理能增強(qiáng)TENG的防潮性能，但通常成本高、難度大且可能造成環(huán)境污染等問題。因此，開發(fā)具有高輸出性能和濕度適應(yīng)性的綠色摩擦電材料具有重要意義。



  近日，王雙飛院士團(tuán)隊段青山博士課題組受天然木材各向異性結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過定向冷凍干燥輔助機(jī)械壓縮工藝制備了一種具有優(yōu)異濕度適應(yīng)性和摩擦電性能的殼聚糖/聚乙烯醇縱向氣凝膠薄膜（CP-LAF）。CP-LAF的各向異性結(jié)構(gòu)和粗糙表面可以改善TENG的電性能。而且，組分之間的緊密纏結(jié)使孔隙變小，各向異性的多孔結(jié)構(gòu)為親水基團(tuán)和水分子形成更多的氫鍵提供了豐富的活性位點(diǎn)，產(chǎn)生了更多的結(jié)合水參與摩擦充電過程。材料在極濕環(huán)境（99％RH）下達(dá)到飽和時，材料的摩擦電性能可以長時間保持高水平和高穩(wěn)定性； CP-LAF 的 TENG (CL-TENG) 在 99% RH 下表現(xiàn)出高達(dá) 342 V 的開路電壓，比 50% RH 下高 1.6 倍。此外，在循環(huán) 3 次后，其電壓仍能保持 95.3%。這項(xiàng)研究為制備在極端濕度環(huán)境下保持高輸出的摩擦電材料提供了一種簡單有效的策略，并展示了 CL-TENG 在能量收集和自供電傳感器方面的巨大潛力。


圖1. 仿生物氣凝膠薄膜的設(shè)計策略、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用


圖2. 基于 CP-LAF 的摩擦電材料的表征


圖3. CP-LAF的摩擦電特性


圖4. CL-TENG的濕度增強(qiáng)和穩(wěn)定性


圖5. CP-LAF用于自供電傳感和人體運(yùn)動的無線藍(lán)牙監(jiān)測


  以上研究成果以“Bionic wood-inspired structure enables aerogel film triboelectric material with humidity adaptation”為題，發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》上，廣西大學(xué)研究生張葉、彭偉卿和博士生章志君為共同第一作者，段青山為通訊作者，何娟霞博士、許貝、宋旭玲、栗劍鋒、羅懿、聶雙喜教授、梁東武副研究員參與研究。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154906

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